Исследование тепловых и квантовых флуктуационных полей в нелинейно-оптических детекторах терагерцового излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Якунин Павел Владимирович

Исследование тепловых и квантовых флуктуационных полей в нелинейно-оптических детекторах терагерцового излучения

Специальность 01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва - 2013

005539892

Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук доцент Китаева Галия Хасановна.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук профессор Сазонов Сергей Владимирович, НИЦ Курчатовский институт, ведущий научный сотрудник

Доктор физико-математических наук профессор Чиркин Анатолий Степанович, Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, кафедра общей физики и волновых процессов.

Ведущая организация:

Институт прикладной физики РАН,

г. Нижний Новгород.

Защита состоится 19 декабря 2013 года в 16 часов

на заседании диссертационного совета Д. 501.001.67 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова: 1199Э1, Москва, Ленинские горы д.1 стр. 2

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова

Учёный секретарь диссертационного совета Д. 501.00 кандидат физ.-мат. наук

А.Ф. Королев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Терагерцовый диапазон электромагнитного спектра занимает область спектра с частотами между 0.1 • 1012 и 10 • 1012 Гц (длины волн диапазона 3...0.03 мм). Спектроскопия в данном диапазоне длин волн имеет множество областей применения. В фундаментальных исследованиях основными являются области астрофизических измерений и спектроскопии колебательных и вращательных переходов сложных органических веществ. В астрофизических измерениях важная часть спектра реликтового излучения лежит в терагерцовом диапазоне, и для его исследования уже в настоящее время используются методы болометрического детектирования терагерцового излучения. Терагерцовая спектроскопия сложных химических и биологических веществ позволяет исследовать кон-формационные модификации сложных органических молекул и отличать друг от друга структурные изомеры, поскольку характерные частоты переходов между соответствующими состояниями часто попадают в терагерцовый диапазон. Эта особенность спектроскопии в терагерцовом диапазоне создает пространство для приложений в области безопасности и фармакологии, где различение структурных изомеров является особенно важным.

В настоящее время нет свидетельств вреда терагерцовых полей для человека, и его высокая проникающая способность и чувствительность к химическому составу в совокупности со слабыми ионизирующими свойствами превращает терагерцовую спектроскопию в потенциально полезный инструмент в сфере безопасности и в медицине. Известны проекты вычислительных и телекоммуникационных устройств, основанных на терагерцовых фотонных кристаллах и линий связи повышенной пропускной способности, работающих в терагерцовом диапазоне.

Распространение терагерцовых приложений, однако, сдерживается трудностями при генерации и детектировании терагерцовых полей. В настоящее время активно разрабатываются различные устройства для генерации и детектирования терагерцового излучения (ТИ), такие как фотомиксеры, фотопроводящие антенны, болометры, а также группа

нелинейно-оптических методов, основанных на преобразовании излучения терагерцового диапазона в оптическое и последующей регистрации оптическими детекторами.

Действие нелинейно-оптических детекторов терагерцового излучения основано на регистрации суммарной или разностной частот, возникающих в нелинейно-оптическом кристалле при взаимодействии оптической лазерной накачки и терагерцового излучения. При параметрическом преобразовании частоты ТИ сигнальное излучение суммарной и разностной частоты попадает в оптический диапазон, где регистрируется обычными оптическими фотоприемниками. Подобные схемы хорошо развиты для детектирования импульсного когерентного терагерцового излучения, например, в схемах терагерцовой спектроскопии временного разрешения (ТСВР). Однако нелинейно-оптическое детектирование некогерентного терагерцового поля, необходимое для ряда приложений, может быть осуществлено только в схемах квазинепрерывного действия, основанных на наносекундном или непрерывном лазерном источнике накачки. Подобные схемы квазинепрерывного детектирования на данный момент активно разрабатываются в мире.

Процесс преобразования терагерцового излучения в оптический диапазон в нелинейно-оптическом кристалле зависит от параметров кристалла и может носить синхронный или квазисинхронный характер. В свою очередь, условия квазисинхронизма в кристалле зависят от его пространственной структуры, и это создает возможность для управления спектральными характеристиками отклика нелинейно-оптических терагерцовых генераторов и детекторов. В связи с широкой областью потенциальных приложений, существующей для терагерцовых генераторов и детекторов с заданным спектром отклика, дальнейшие исследования этой темы не теряют свою актуальность.

Существенной проблемой в области детектирования терагерцового излучения в настоящий момент является сложность проведения количественных измерений энергетических параметров терагерцовых волн. Наиболее распространены методы терагерцовой фотометрии, основанные на исполь-

зовании в качестве детекторов сверхпроводящих болометров, ячеек Голея или пироэлектриков, калибровка отклика которых проводится на основе внешних терагерцовых источников с известными характеристиками. Создание подобных источников на данный момент не всегда является тривиальной задачей. Кроме того, болометрические измерения требуют охлаждения детектора до гелиевых температур, а ячейки Голея и пироэлектрические детекторы обладают слабой чувствительностью. В то же время в нелинейно-оптических методах прецизионные измерения энергетических параметров терагерцового поля пока затруднены.

Метод измерения величины спектральной яркости в нелинейно-оптической схеме был предложен в теоретической работе Д.Н. Клышко1 для оптического диапазона и затем реализован экспериментально2,3. Суть метода Клышко состоит в использовании в качестве опорного сигнала при нелинейно-оптическом детектировании эффекта спонтанного параметрического рассеяния света, мощность которого зависит от параметров нелинейного кристалла, излучения накачки и фундаментальной величины эффективной яркости нулевых флуктуаций электромагнитного вакуума. Для измерения спектральной яркости внешнего поля проводились сравнительные измерения мощности сигнального излучения в присутствие и в отсутствие внешнего детектируемого поля, и таким образом измеряемая величина яркости внешнего поля сравнивалась с эффективной величиной яркости нулевых флуктуаций, что позволяло получить абсолютное значение спектральной яркости измеряемого поля. Однако, существенным отличием терагерцового диапазона от оптического при нормальных условиях является высокая яркость тепловых флуктуационных полей, и в оригинальном виде в терагерцовом диапазоне метод Клышко применяться не может.

Целью диссертационной работы являлось исследование тепловых и квантовых флуктуационных полей, участвующих в процессах параметрического преобразования частоты, для разработ-

1Клышко Д. Н. Использование вакуумных флуктуаций как эталона спектральной яркости // Квантовая электроника. — 1977. — Т. 4.

2Г. X. Китаева, А. Н. Пенин, В. В. Фадеев, Ю. А. Янайт // Доклады АН СССР, сер. физ. — 1979. - Т. 24. - С. 564.

3Аброскина О. А., Китаева Г. X., Пенин А. Н. // Измерительная Техника. — 1986. — Т. 14, N0 3.

ки методов измерения спектральных и энергетических параметров нелинейно-оптических детекторов терагерцового излучения Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:

1. Исследовать спектры параметрического рассеяния (ПР) в терагер-цовом диапазоне холостых частот: проверить корректность модели фоновых шумов в детекторе квазинепрерывного терагерцового излучения и установить возможность измерения спектральной яркости некогерентного терагерцового излучения в нелинейно-оптической детектирующей схеме.

2. Экспериментально исследовать метод измерения спектрального распределения чувствительности нелинейно-оптических терагерцовых детекторов на основе спектроскопии ПР.

3. Разработать метод управления спектральным распределением чувствительности но основе проектирования пространственного распределения нелинейно-оптической восприимчивости кристалла-детектора.

Новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях:

1. Установлена природа и характер проявления шумовых полей в нелинейно-оптических детекторах терагерцового излучения.

2. Разработана и экспериментально проверена модель параметрического рассеяния света при высокой яркости равновесного теплового поля на частоте холостой волны и сильном поглощении в диапазоне холостых волн.

3. На основе метода Д.Н. Клышко измерения спектральной яркости оптического излучения предложен метод измерения спектральной яркости терагерцового излучения с использованием эффективной величины яркости нулевых флуктуаций вакуума в качестве эталона.

4. Установлена возможность измерения спектрального распределения чувствительности квазинепрерывных нелинейно-оптических терагер-цовых детекторов с помощью спектроскопии параметрического рассеяния света.

5. Разработан метод управления спектром генерации и детектирования терагерцового излучения в нелинейно-оптических схемах на основе моделирования пространственной неоднородности величины нелинейной восприимчивости кристалла.

Научная и практическая значимость диссертационной работы:

1. Исследован новый метод измерения спектральной яркости терагерцового поля, доступный при комнатных температурах. Данный метод может существенно упростить и повысить точность измерения энергетических параметров по отношению к используемым в настоящее время методам фотометрии терагерцового излучения.

2. Разработанная методика создания мультичастотных терагерцовых генераторов и детекторов имеет широкую область потенциальных применений в терагерцовой спектроскопии сложных химических веществ, связанных с управляемым возбуждением колебательных и вращательных состояний комплексных молекул.

Положения, выносимые на защиту:

1. Присутствие тепловых флуктуационных полей приводит к зависимости соотношения между плотностями мощности стоксовой и антистоксовой компонент сигнального излучения параметрического рассеяния света в области терагерцовых холостых частот от температуры кристалла и терагерцовой частоты.

2. Абсолютная величина спектральной яркости тепловых флуктуационных полей может быть определена по результатам измерения относительных приращений к стоксовым и антистоксовым сигналам параметрического рассеяния, наблюдаемым при параметрическом преобразовании частоты внешнего терагерцового излучения. При этом

эффективная яркость квантовых флуктуаций выступает в качестве эталона.

3. Спектральная яркость терагерцового излучения может быть измерена в нелинейно-оптическом терагерцовом детекторе с использованием яркостей квантовых и тепловых флуктуационных полей в качестве реперных величин.

4. Использование квантовых и тепловых флуктуационных полей в качестве встроенных источников терагерцового излучения позволяет измерять спектральное распределение чувствительности нелинейно-оптических квазисинхронных детекторов, выполненных на кристаллах с нестабильным периодом доменной структуры.

5. Метод моделирования неоднородного пространственного распределения величины нелинейной восприимчивости нелинейно-оптического кристалла позволяет проектировать кристаллы с заданным спектральным распределением терагерцового отклика, при этом достигается количественное совпадение экспериментального и теоретического спектрального профиля терагерцового отклика кристалла.

Обоснованность и достоверность результатов определяется использованием апробированных экспериментальных методик. Экспериментальные данные подтверждены теоретическими расчетами, основанными на адекватно выбранных физических моделях анализируемых процессов, а также не противоречат результатам других групп исследователей. Результаты экспериментальных и теоретических исследований неоднократно обсуждались на семинарах и докладывались на специализированных конференциях по проблемам, связанным с тематикой диссертационной работы. Большая часть результатов опубликована в международных журналах.

Апробация работы Результаты работы прошли апробацию на следующих российских и международных конференциях

1. The International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Mainz, Germany, 2013

2. Advanced Laser Technologies (ALT-12), Thun, Switzerland, 2012

3. 5-th Workshop ad memoriam of Carlo Novero "Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with atoms and photons" (IQIS), Turin, Italy, 2010.

4. International conference on coherent and non-linear optics ICONO/LAT, Kazan, Russia, 2010

5. German-French-Russian Laser Symposium (GFRLS), Goessweinstein, Germany. 2011.

6. 2nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications" (TERA), Moscow, Russia 2012

7. Third Russian-Taiwan School-Seminal "Nonlinear Optics and Photonics", Vladimir, Russia, 2013

8. Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Н.Новгород, 2009.

9. XIV Национальная конференция по росту кристаллов и IV Международная конференция "Кристаллофизика 21 века", Москва, 2010.

10. Шестая международная конференция молодых ученых и специалистов "ОПТИКА", С. Петербург, 2009

Публикации

Основные результаты работы содержатся в печатных публикациях. По материалам диссертации опубликованы 14 работ, 3 из которых - статьи в реферируемых научных журналах из списка ВАК, перечень которых приведен в конце автореферата, 1 патент на изобретение, а также тезисы к 10 докладам на научных конференциях.

Личный вклад автора Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично либо при его непосредственном участии. Постановка задач,

интерпретация полученных результатов и формулировка выводов исследования осуществлялись совместно с научным руководителем и другими соавторами публикаций.

Структура и объем диссертационной работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 97 наименований, изложена на 119 страницах и содержит 33 рисунка и 2 таблицы.

Основное содержание диссертационной работы

Во введении приводится обоснование выбора темы диссертационной работы и ее актуальности. Сформулированы задачи диссертационной работы, новизна, научная и практическая значимость, содержатся сведения об апробации работы и ее структуре. Сформулированы выносимые на защиту положения и приведен список публикаций.

Первая глава "Детектирование терагерцового излучения в нелинейно-оптических схемах" посвящена краткому обзору существующих методов детектирования терагерцового излучения и анализу механизма детектирования в нелинейно-оптических схемах.

В первом параграфе дается обзор детекторов терагерцового излучения прямого действия и полупроводниковых детекторов, приводятся их основные характеристики.

Во втором параграфе проводится анализ процесса синхронного или квазисинхронного детектирования терагерцового излучения с помощью нелинейно-оптического кристалла с неоднородным пространственным распределением величины нелинейной восприимчивости х'2'^)- Вводится понятие нелинейной функции передачи кристалла, определяющей спектральные свойства его нелинейно-оптического отклика,

зависящей от пространственных Фурье-компонент Хт

и

\ I Х[2)('Ф~111""х,1<1х и величины расстройки синхронизма Д = Ак ■ Ь.

-Ь/2

Приводятся известные из прошлых работ выражения для амплитуд оптического сигнального излучения, регистрируемого в нелинейно-оптическом детекторе.

В третьем параграфе проводится анализ процесса нелинейно-оптического детектирования в схемах терагерцовой спектроскопии временного разрешения (ТСВР). Описываются пробно-энергетический и пробно-фазовый методы электрооптического детектирования.

В четвертом параграфе представлен анализ метода квазинепрерывного детектирования терагерцового излучения в нелинейно-оптической схеме, приведены ссылки на работы, описывающие экспериментальные реализации подобных схем. Квазинепрерывным является нелинейно-оптический метод детектирования терагерцового излучения с использованием лазерной накачки с длительностью импульсов, значительно превышающей период терагерцовой волны (например, наносекундных импульсов). К подобному классу схем можно отнести также схемы с непрерывной накачкой.

Вторая глава "Флуктуационные поля в установке для

нелинейно-оптического детектирования терагерцового излучения" посвящена разработке и экспериментальной проверке модели поведения тепловых и квантовых терагерцовых флуктуационных полей в нелинейно-оптическом детекторе квазинепрерывного некогерентного терагерцового излучения, а также методу измерения спектральной яркости терагерцового излучения в нелинейно-оптической схеме квазинепрерывного действия.

В первом параграфе описывается экспериментальная установка для квазинепрерывного нелинейно-оптического детектирования на основе периодически поляризованного кристалла ниобата лития, позволяющая наблюдать фоновые сигналы, вызванные присутствием терагерцовых флуктуационных полей. Схема установки приведена на Рис.1. При детектировании терагерцового излучения с частотой и>2 в нелинейно-оптическом кристалле генерируется сигнальное излучение, имеющее частоты = шр—ш2

Рис. 1. Установка для квазинепрерывного нелинейно-оптического детектирования терагерцового излучения. Терагерцовое излучение (в) фокусируется в нелинейно-оптический кристалл (г) с помощью внеосевого параболического зеркала (б) одновременно с излучением оптической накачки (а). Излучение накачки на частоте шр отсекается при помощи оптической спектрально-разрешающей схемы (д), состоящей из узкополосного газового фильтра (д1), линзовой системы (д2) и спектрографа (дЗ). Излучение сигнальной волны на частотах и ui\+ попадает в оптический детектор (CCD камеру, е)

(стоксова компонента) и Ui+ = шр + Ш2 (антистоксова компонента), где ojp - частота излучения накачки. Частоты и wi+ попадают в оптический диапазон, и могут быть измерены оптическим детектором (CCD камерой). Большая по величине (оптическая) частота wi называется сигнальной, меньшая (терагерцовая) - и>2- холостой.

Во втором параграфе представлен экспериментально измеренный частотно-угловой спектр фонового сигнала нелинейно-оптического терагерцового детектора, возникающего в отсутствие внешнего терагерцового излучения из-за присутствия тепловых и квантовых терагерцовых флук-туационных полей (Рис.2). Источником сигналов являются два квазисинхронных параметрических процесса, являющиеся составными частями параметрического рассеяния света (ПР). Первый процесс является процессом распада фотонов излучения накачки huv на пары фотонов меньшей частоты

fibJi + hüü2 ' fiJJJp ■ hki + hk2 = hkp (2)

U) i > Ul2

Вторым является процесс преобразования частоты терагерцовых тепловых флуктуационных полей в оптический диапазон ljp ± и>2 = wj.

Выдвигается предположение о схожей природе этих процессов, согласующееся с известными из предыдущих исследований4 выводами. Суть предположения состоит в том, что эффективность генерации сигнальной волны как в процессе распада фотонов накачки, так и при преобразовании теплового флуктуационного поля, будет определяться коэффициентами параметрического усиления одинаковым образом. Это предположение позволяет получить формулу для определения плотности мощности сигнальной волны ПР в нелинейно-оптическом терагерцовом детекторе в зависимости от числа фотонов в моде терагерцового теплового флуктуационного поля (ДГ2)Т и эффективной величины яркости флуктуаций электромагнитного вакуума (Nvac) = 1. Выражения для стоксовой и антистоксовой компонент сигнальной волны в таком случае записываются как

Ps = Pdfg" + Pspdc = Cq ■ g (Д", y2) ((N2)T + 1), (3)

Pas = Р&Ът = CSS ■ g (AQÎ, y2) (No)T. (4)

Мощность ПР оказывается зависящей от коэффициентов

c,,as _ dihdLJilûjjuJiPoX^L2

0 С5ПоП1П2

включающих такие параметры, как частотная и угловая апертуры оптического детектора dur и dfl, частоты взаимодействующих волн ui\ и W2, мощность накачки Pq, а также параметры кристалла. Форм-фактор g зависит от величины расстройки квазисинхронизма А и величины поглощения ТИ в кристалле.

В третьем параграфе представлен результат экспериментального анализа сигнала ПР, проведенный с целью проверки сделанного во втором параграфе теоретического предположения. В диапазоне терагерцовых частот от 0.5 до 3 ТГц и температур кристалла от35°С до 155°С проведено сравне-

4Клышко Д. Фотоны и нелинейная оптика / под ред. Л. Гладнева. — Наука. Главная редакция

физико-математической литературы, 1980.

Рис. 2. Частотно-угловой спектр ПР в кристалле периодически поляризованного ниобата лития, полученный на установке для нелинейно-оптического детектирования терагерцового излучения. Яркая горизонтальная линия в центре представляет собой след накачки длиной волны 514.5 нм. Область положительных частот терагерцовой волны соответствует стоксовой компоненте сигнального излучения. Область под линией накачки представляет антистоксову компоненту сигнала. В каждой области частот присутствуют по две кривых: кривые, расположенные ближе к следу накачки, соответствуют параметрическому рассеянию, идущему при противоположно направленных волновых векторах накачки и холостой волны (в геометрии "назад"). Кривые, расположенные дальше от следа накачки, соответствуют случаю сонаправленных волновых векторов накачки и холостой волны (геометрии "вперед")

-10 1 Угол рассеяния 9, °С

518

Е к

к к к

(1) V >, и

516

512

510

я

X

С!

н

ние экспериментальной и теоретической зависимостей спектральной плотности мощности ПР от терагерцовой частоты, показавшее соответствие модели экспериментальным данным (Рис.3). На основе полученного спектра ПР была также измерена величина спектральной яркости терагерцового теплового флуктуационного поля в единицах числа фотонов на моду, и результаты измерений повторили теоретические предсказания (Рис.4).

Частота холостой волны, ТГц Частота холостой волны, ТГц

Рис. 3. Сравнение экспериментального и теоретического спектра сигнальной волны ПР в коллинеарном режиме при температуре кристалла 35"С (а) и 155°С(б). Область положительных значений холостой волны соответствует стоксовой области спектра, область отрицательных холостых частот - антистоксовой области.

60 ВО 100 120 140 Температура кристалла, °С

40 60 80 100 120 140 Температура кристалла, °С

Рис. 4. Экспериментальная и теоретическая зависимости отношения Ре(<^2тах)/Рая ((^2,пах), определяемого числом фотонов в моде теплового флуктуационного поля (N2)т, от температуры кристалла для рассеяния "вперед"(а), когда волновой вектор терагерцовой волны сонаправлен накачке, и "назад"(б), когда волновой вектор терагерцовой волны противонаправлен накачке

В четвертом и пятом параграфах предлагается метод измерения спектральной яркости терагерцового излучения в нелинейно-оптических схемах на основе использования тепловых и квантовых флуктуационных полей в качестве опорных сигналов. Мощность сигнальной волны, регистрируемой в нелинейно-оптическом детекторе в присутствие внешнего терагерцового поля определяется выражениями

РшНг = P^G + PSPDC + PÏFG = (5)

= Cg • g (Д5, У2) ((JV2)r + 1 + тТНг/к).

Pas+th; = P^FS + PÏFG = CQ ' 9 (Д", îfe) (№T + (N2)THz /к) (6)

a величины относительных приращений мощности сигнала по сравнению с мощностью сигнала ПР

Д Ps = (Ps+tp~Ps), (7)

s

л п (Pas+thz ~ Pas) ¡a\ &pas =-p-,

При учете влияния величины поглощения терагерцового излучения в кристалле-детекторе с помощью коэффициента к, исходя из (3), (4), (5) и (6), спектральная яркость терагерцового поля может быть вычислена на основе величин относительных приращений мощности сигнального излучения (АРа и ДРоа), полученных из экспериментальных данных, в единицах числа фотонов на моду

(*>».-(ЫМ-V.)- (9>

или в радиометрических единицах В(ш2) = ¿n^i (Н2)ТНг. Одновременно с измерением спектральной яркости терагерцового излучения может быть проведена абсолютная калибровка яркости терагерцового теплового флук-туационного поля

{N2)T = [(ДРЯ8/ДР8) -1]-1 (10)

Третья глава "Использование флуктуационных полей в каче-

стве терагерцовых источников для измерения спектрального распределения чувствительности квазисинхронных детекторов тера-герцового излучения" посвящена разработке экспериментальной процедуры характеризации спектральной полосы чувствительности кристаллов-детекторов с использованием терагерцовых флуктуационных полей в качестве встроенного источника.

В первом параграфе на примере кристалла ниобата лития, поляризованного в процессе роста, обосновывается необходимость в проведении характеризации доменной структуры кристаллов-детекторов терагерцово-го излучения, возникающая из-за неоднородности изготовленной доменной структуры.

Во втором параграфе описывается процедура характеризации спектрального распределения чувствительности кристалла-детектора с учетом влияния поглощения на частоте детектируемого терагерцового излучения. В случае апериодически поляризованного кристалла форма сигнальной волны ПР определяется функцией более общей, чем д, и зависящей от многих пространственных гармоник распределения нелинейной восприимчивости Хт■ Функция О определяется выражением

а мощность сигнальной волны ПР в этом случае может быть получена как

Р3 = СдБ(А) (1 + (М2)Т) (12)

В то же время, спектральное распределение мощности сигнальной волны при нелинейно-оптическом детектировании ТИ зависит от функции нелинейной передачи кристалла Т (1)

РОРС = е-^2\Т(А)\2(М2)ТНг

Разница профилей Т и I? оказывается несущественной, однако сильная дисперсия коэффициента поглощения ТИ в кристалле, а также разница

---Спектр, чувств, при детектировании

— Форма линии ПР

—- Стоксова компонента

■ анти-Стоксова компонента СО)

1.5 2.0 2.5 3.0

Частота терагерцовой волиы, ТГп

1 2 3

Частота терагерцовой волны, ТГц

Рис. 5. Профили форм-факторов двух кристаллов ниобата лития, полученных методом ростовой поляризации, со средними значениями периода доменной структуры 4.8 (а) и 6.4 мкм (б). На рисунке (а) сплошная линия - экспериментально измеренное спектральное распределение сигнала параметрического рассеяния в кристалле-детекторе, пунктирная линия - результат расчета спектрального распределения чувствительности при нелинейно-оптическом детектировании. На рисунке (б) приведены результаты измерений спектров ПР кристалла с периодом 6.4 мкм в геометрии нелинейно-оптического взаимодействия оое, где симметрия стоксовой и антистоксовой компонент сигнальной волны оказывается нарушена

в мощности сигнальных волн СПР различных частот должны учитываться при характеризации кристаллов. С учетом этих факторов чувствительность детектора может быть вычислена на основе измеренного частотно-углового спектра ПР как

5(и>2) =

■РргеС^) =_

{Итн.Ы) е^/2(1 + (^г(Ш2)))

(13)

В третьем параграфе приводятся результаты характеризации кристаллов ниобата лития, полученных ростовым и постростовым методом. Спектральный профиль ПР и чувствительности для двух кристаллов, поляризованных ростовым методом, приведен на Рис.5, для двух кристаллов, поляризованных постростовым методом - на Рис.6.

Как можно видеть из результатов, представленных на Рис.5(б), в геометрии взаимодействия оое пропадает симметрия между стоксовой и ан-

Рис. б. На рисунках сплошная линия - экспериментально измеренное спектральное распределение сигнала параметрического рассеяния в кристалле-детекторе, пунктирная линия - результат расчета спектрального распределения чувствительности при нелинейно-оптическом детектировании. Период доменной структуры кристалла, спектр которого приведен на рисунке (а), поляризован постростовым методом и имеет доменную структуру с периодом 37 мкм. Спектр (б) измерен для кристалла с периодом 67 мкм.

тистоксовой компонентами сигнальной волны. Этот эффект ограничивает возможность использования данной геометрии при измерении спектральной яркости терагерцового излучения, хотя ортогональность поляризаций накачки и сигнальной волны в этом случае серьезно упрощает задачу гашения паразитного излучения в установке-детекторе (Рис.1). Одним из возможных решений проблемы асимметрии стоксовой и антистоксовой компонент является управление спектральным откликом нелинейно-оптического кристалла с помощью моделирования его доменной структуры.

Четвертая глава "Проектирование и исследование спектральной формы терагерцового отклика апериодически поляризованного кристалла ниобата лития" посвящена разработке метода проектирования кристаллов ниобата лития с заданным спектральным распределением терагерцового отклика на основе моделирования структуры пространственного распределения величины нелинейной восприимчивости.

В первом и втором параграфах предложен метод моделирования пространственной структуры распределения величины нелинейной восприим-

чивости в кристалле, приводящий к заданному спектральному распределению терагерцового отклика кристалла. Приведена формула для быстрого численного расчета Т-функции, исходя из пространственного распределения нелинейной восприимчивости в кристалле, величины поглощения и волновой расстройки

тн^Е*----2А,_¿Q\+47rm-L • (14)

m=-оо \ J

Моделирование доменной структуры кристалла представляло из себя перебор всех возможных структур вида

Х(х) = sign {sin (íia;) + А ■ sin (q2x) + В ■ sin fea;)},

последующий расчет спектрального распределения отклика кристалла с помощью (14) и отбрасывание неподходящих распределений. В качестве цели моделирования выступал мультичастотный кристалл-генератор, имеющий линии на частотах от 1.3 до 1.9 ТГц в областях, близких к минимумам поглощения терагерцовых волн парами воды. Соотношение мощностей линий было выбрано с целью частично компенсировать рост поглощения терагерцового излучения в парах воды с увеличением терагерцовой частоты. Значения q\, <72 и q¿ являются длинами векторов обратной решетки q = 2ir/d монохроматических кристаллов-генераторов, излучающих на этих частотах, и имеющих периоды доменной структуры 69.62, 63.88 и 58.90 мкм соответственно. Рассчитанная доменная структура кристалла определяется значениями коэффициентов А = 1.39, В = 1.02. Длина образца составила 3 мм.

В третьем параграфе приведен анализ процесса генерации терагерцового излучения в кристалле ниобата лития с использованием фемтосекунд-ной накачки. Показано, что спектр генерации в такой схеме зависит от той же функции нелинейной передачи кристалла Т (1), что и спектральное распределение чувствительности кристалла при детектировании. Также в параграфе описывается процедура экспериментального измерения спек-

1.0 -

Экспериментальная

зависимость

Расчет

0.8 -

к

и о

5 0.4 -

в

0)

0.0

0.2 -

1.0

1.5

2.0

2.5

Частота, ТГц

Рис. 7. Сравнение измеренных и расчетных спектров генерации периодически поляризованного кристалла ниобата лития с периодом доменной структуры 66.7 мкм с учетом влияния поглощения паров воды (влажность 30%)

трального распределения терагерцового отклика кристалла с рассчитанной доменной структурой в схеме терагерцовой спектроскопии временного разрешения (ТСВР).

В четвертом параграфе приведены количественно согласующиеся результаты моделирования и измерения спектра генерации как моночастотного периодически поляризованного (Рис.7), так и мультичастотного кристаллов (Рис.8), с учетом влияния поглощения терагерцового излучения парами воды.

Основные результаты работы

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Построена теоретическая модель параметрического рассеяния света в области терагерцовых частот холостых волн, учитывающая эффект

Рис. 8. Сравнение расчетного и экспериментального спектров генерации спроектированного апериодически поляризованного кристалла с учетом поглощения паров воды в воздухе (влажность 30%)

преобразования частоты равновесного теплового излучения.

2. Проведена экспериментальная проверка модели на примере измерения спектральной плотности мощности сигнального излучения сток-сова и антистоксова рассеяния при различных температурах в диапазоне от 35"С до 155°С в периодически поляризованном кристалле ниобата лития в диапазоне холостых длин волн от 0.5 ТГц до 3 ТГц.

3. Показано, что яркость теплового излучения может быть количественно измерена с использованием фундаментальной величины спектральной яркости нулевых флуктуаций электромагнитного поля в качестве эталона. При этом необходимо провести измерения относительных приращений плотности мощности сигнального излучения,

возникающих при детектировании внешнего терагерцового излучения.

4. Предложена процедура измерения спектральной яркости излучения терагерцового диапазона с учетом процесса преобразования частоты равновесного теплового терагерцового поля, имеющего высокую яркость при комнатной температуре. Процедура состоит в сравнении относительных приращений плотности мощности, возникающих в стоксовой и антистоксовой компонентах сигнальной волны при детектировании внешнего терагерцового излучения.

5. Развит метод спектроскопии ПР для измерения спектральной чувствительности нелинейно-оптических детекторов терагерцового излучения. Проведены измерения спектрального распределения чувствительности детекторов, выполненных на основе кристаллов ниобата лития ростовой и постростовой поляризации с средним периодом доменной структуры 67 мкм, 37 мкм, 4.8 мкм, 6.4 мкм.

6. Предложен метод проектирования генераторов и детекторов терагерцового излучения с заданным спектральным профилем отклика с помощью моделирования пространственного распределения нелинейной восприимчивости в нелинейно-оптическом кристалле. Метод продемонстрирован на примере генератора терагерцового излучения на основе апериодически поляризованного кристалла ниобата лития.

Публикации в рецензируемых журналах:

1. Г.Х. Китаева, А.Н. Пенин, А.Н. Тучак, А. В. Шепелев, П. В. Якунин, Измерение спектральной яркости терагерцового излучения в процессе нелинейно-оптического детектирования // Письма в ЖЭТФ, т. 92, вып. 5, с. 327-330 (2010)

2. G. Kh. Kitaeva, S. P. Kovalev, A. N. Penin, A. N. Tuchak, P. V. Yakunin, A Method of Calibration of Terahertz Wave Brightness Under Nonlinear-Optical Detection // J Infrared Milli Terahz Waves, т. 32, н.Ю, с. 11441156 (2012).

3. G. Kh. Kitaeva, S. P. Kovalev, I. I. Naumova, A. N. Tuchak, P. V. Yakunin, Y.-C. Huang, E. D. Mishina and A. S. Sigov, Terahertz wave generation in periodically poled lithium niobate crystals fabricated using two alternative techniques // Laser Phys. Lett., т.10, с. 055404 (2013)

Патент:

1. Г.Х. Китаева, А.Н. Пенин, А.Н. Тучак, П.В. Якунин, Способ детектирования электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне и устройство для его осуществления // Патент на изобретение №2448399, (2012)

Публикации в трудах конференций:

1. A. Sigov, G. Kitaeva, A. Mishin, О. Samotokhin, A. Tuchak, P. Yakunin, Y.-C. Huang, Y.-H. Chen, N. Ilyin, Generation Of Spectrally Shaped Terahertz Waves Under Femtosecond- Or Nanosecond-Pulsed Optical Pumping // The International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Mainz, Germany, 2013

2. V.V. Kornienko, A.N. Tuchak, P.V. Yakunin, I.I. Naumova, G.Kh. Kitaeva, "PPLN crystals for nonlinear-optical detection of terahertz wave radiation" // Advanced Laser Technologies (ALT) Proceedings, Vol. 1, Thun, Switzerland, 2012

3. G.Kh. Kitaeva, S.P. Kovalev, K.A. Kuznetsov, A.N. Penin, A.N. Tuchak, P.V. Yakunin, Spontaneous parametric conversion down to the terahertz range // 5-th Workshop ad memoriam of Carlo Novero "Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with atoms and photons" (IQIS), Turin, Italy, 2010.

4. P.V. Yakunin, G.Kh. Kitaeva, A.N. Tuchak, I.I. Naumova, A.N. Penin, Nonlinear optical detection of terahertz quasicontinuous wave radiation. // International conference on coherent and non-linear optics ICONO/LAT 2010, Kazan, Russia, p. ITuTl

5. P. V. Yakunin, G. Kh. Kitaeva, A. N. Tuchak, A. N. Penin, "Nonlinear optical method for measuring the spectral brightness of the terahertz

wave radiation." // German-French-Russian Laser Symposium (GFRLS), Goessweinstein, Germany, 2011.

6. P. V. Yakunin, V. V. Kornienko, A. N. Tuchak, G. Kh. Kitaeva, A. N. Penin. The method for measuring the spectral brightness of terahertz radiation in the continious-wave nonlinear-optical detection scheme // 2nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications" (TERA), Moscow, Russia 2012

7. P.V. Yakunin, G.Kh. Kitaeva, A.N. Tuchak, A.N. Penin, "Measurement of the terahertz wave spectral brightness using the quantum-optical approach" // Third Russian-Taiwan School-Seminal "Nonlinear Optics and Photonics", Vladimir, Russia, 2013

8. Г. X. Китаева, A.H. Тучак, П. В. Якунин, Генерация и детектирование терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах с помощью импульсов лазерного излучения наносекундной длительности. // Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Н.Новгород, Россия, 2009.

9. И.И. Наумова, Г.Х. Китаева, В.А. Дьяков, С.П. Ковалев, Ю.В. Родина, А.Н. Тучак, П.В. Якунин, Периодически поляризованные кристаллы для детектирования терагерцового излучения. // XIV Национальная конференция по росту кристаллов и IV Международная конференция "Кристаллофизика 21 века", Москва, 2010.

10. А.Н. Тучак, П.В. Якунин, Г.Х. Китаева, Генерация и детектирование терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах с помощью импульсов лазерного излучения наносекундной длительности. // Шестая международная конференция молодых ученых и специалистов "ОПТИКА", С. Петербург, 2009

Подписано в печать:

13.11.2013

Заказ № 9132 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www. au toreferat. ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

Якунин Павел Владимирович

Исследование тепловых и квантовых флуктуационных полей в нелинейно-оптических детекторах терагерцового излучения

Специальность 01.04.05 - Оптика

Диссертация на соискание ученой стспепи кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук

Китаева Г.Х.

Москва - 2013

Благодарности

В заключение мне хотелось бы выразить благодарность своему научному руководителю Китаевой Галие Хасановне за неоценимую помощь в выполнении научной работы, руководителю лаборатории роста кристалов Инессе Ивановне Наумовой, профессору Национального центрального университета Тайваня Йеп-Хунг Чена, профессору Национального университета Цииь-Хуа на Тайване Йеи-Чиех Хуанга за предоставленные кристаллы ниобата лития.

Я благодарен Александру Николаевичу Пенину, Сергею Павловичу Кулику, Чеховой Марии Владимировне, Антону Тучаку, Ковалеву Сергею, и другим сотрудникам, аспирантам и студентам лабораторий спонтанного параметрического рассеяния света и неклассических полей и квантовой оптики и квантовой информации.

Оглавление

Введение 5

Глава 1 Детектирование терагерцового излучения в

нелинейно-оптических схемах 16

§ 1.1 Детекторы прямого действия и полупроводниковые детекторы 16

н. 1.1.1 Болометры................................................ 20

п.1.1.2 Диоды Шоттки (ЭВО) и полевые транзисторы (РЕТ)..... 24

п. 1.1.3 Фотопроводящие антенны и фотомикссры................ 25

§ 1.2 Анализ процесса детектирования терагерцового излучения в

нелинейно-оптической схеме .................................. 27

§ 1.3 Пробно-энергетический метод детектирования терагерцового

излучения .................................................... 33

§ 1.4 Пробно-фазовый метод детектирования терагерцового излучения ............................................................ 35

§ 1.5 Нелинейно-оптическое детектирование терагерцового излучения в непрерывном и квазииепрерывном режиме ............. 37

Глава 2 Флуктуационные поля в установке для нелинейно-оптического детектирования терагерцового излучения 41

§ 2.1 Экспериментальная установка для квазинепрерывного нелинейно-оптического детектирования терагерцового излучения ....................................................... 42

§ 2.2 Фоновые сигналы преобразования флуктуационных полей, регистрируемые при нелинейно-оптическом преобразовании излучения терагерцового диапазона ............................... 44

§ 2.3 Экспериментальный анализ структуры оптического фона установки квазинепрерывного детектирования.................... 51

§ 2.4 Детектирование терагерцового излучения..................... 58

§ 2.5 Процедура измерения спектральной яркости терагерцового излучения ....................................................... 59

§ 2.6 Заключение но Главе 2........................................ 63

Глава 3 Использование флуктуационных полей в качестве те-рагерцовых источников для измерения спектрального распределения чувствительности квазисинхронных детекторов терагерцового излучения 65

§ 3.1 Задача характсризации спектрального распределения чувствительности кристалла-детектора терагерцового излучения..... 66

§ 3.2 Процедура характеризации спектрального распределения чувствительности поляризованного кристалла ниобата лития .... 69 § 3.3 Результаты измерений форм-факторов различных кристаллов-

детекторов терагерцового излучения.......................... 72

п.3.3.1 Асимметрия стоксовой и антистоксовой компонент сигнальной волны............................................ 76

§ 3.4 Заключение! по Главе 3........................................ 79

Глава 4 Проектирование и исследование спектральной формы терагерцового отклика апериодически поляризованного кристалла ниобата лития. 81

§ 4.1 Численный расчет спектра генерации поляризованного кристалла ниобата лития .......................................... 82

п.4.1.1 Расчет величин волновых расстроек...................... 83

§ 4.2 Проектирование мультичастотного кристалла-генератора терагерцового излучения .......................................... 85

п.4.2.1 Создание доменной структуры в кристаллах ниобата лития

постростовым методом.................................... 87

§ 4.3 Экспериментальный анализ созданной структуры............. 91

п.4.3.1 Процесс генерации терагерцового излучения в нелинейно-

оптической схеме ......................................... 91

п.4.3.2 Установка ТСВР.......................................... 92

п.4.3.3 Источники шумов в схемах ТСВР ........................ 95

§ 4.4 Исследование апериодически поляризованного кристалла..... 96

§ 4.5 Заключение ио Главе 4........................................ 102

Заключение 103

Введение

Терагерцовый диапазон электромагнитного спектра занимает область с частотами между 0.1 • 1012 и 10 • 1012 Гц (длины волн диапазона 3...0.03 мм). Спектроскопия в данном диапазоне длин волн имеет множество областей применения. В фундаментальных исследованиях основными являются области астрофизических измерений и спектроскопии колебательных и вращательных переходов сложных органических веществ.

В астрофизических измерениях важная часть спектра реликтового излучения лежит в терагерцовом диапазоне, и для его исследования уже в настоящее время используются методы болометрического детектирования терагерцового излучения [1—4].

Терагерцовая спектроскопия сложных химических и биологических веществ позволяет исследовать копформационпые модификации сложных органических молекул и отличать друг от друга структурные изомеры, поскольку характерные частоты переходов между соответствующими состояниями часто попадают в терагерцовый диапазон. Из-за большого числа таких переходов комплексные органические вещества имеют сложный терагерцовый спектр. По этому спектру вещество может быть с высокой точностью идентифицировано. Эта особенность спектроскопии в терагерцовом диапазоне создает пространство для приложений в области безопасности

и фармакологии, где различение структурных изомеров является особенно важным [5—10].

В настоящее время нет свидетельств вреда тсрагерцовых полей для человека, и его высокая проникающая способность и чувствительность к химическому составу в совокупности со слабыми ионизирующими свойствами превращает терагерцовую спектроскопию в потенциально полезный инструмент в сфере безопасности и в медицине [6; 8; 11 15]. Стоит, однако, отметить, что в этой области терагерцовая спектроскопия вряд ли способ-па полностью заменить рентгеновские методы из-за сильного поглощения терагерцового излучения молекулами воды.

Известны также проекты вычислительных и телекоммуникационных устройств, основанных на терагерцовых фотонных кристаллах и мета-материалах [5; 16—18] и линий связи повышенной пропускной способности, работающих в терагерцовом диапазоне.

Распространение терагерцовой спектроскопии, однако, сдерживается трудностями при генерации и детектировании терагерцовых полей. Одной из активно развивающихся групп методов детектирования терагсцовых волн является группа нелинейно-оптических методов, основанных на преобразовании излучения терагерцового диапазона в оптическое и последующей регистрации оптическими детекторами. Кроме них активно разрабатываются также и другие генераторы и детекторы, такие как фотомиксеры [19—23], фотопроводятцие антенны [24—29] и болометры [30—34].

Действие нелинейно-оптических детекторов терагерцового излучения основано на регистрации суммарной или разностной частот, возникаю-

/

щих в нелинейно-оптической среде при взаимодействии оптической накачки и терагерцового излучения. Подобные схемы хорошо развиты для детектирования импульсного когерентного терагерцового излучения, например, в схемах терагерцовой спектроскопии временного разрешения (ТСВР) [13; 35-42]. Однако нелинейно-оптическое детектирование некогерентного терагерцового поля, необходимое для ряда приложений, может быть осуществлено только в схемах квазинепрерывного действия, основанных па паносекуидиом или непрерывном лазерном источнике накачки. Подобные схемы квазинепрерывного детектирования на данный момент активно разрабатываются в мире [43—45].

Процесс преобразования терагерцового излучения в оптический диапазон в нелинейно-оптическом кристалле зависит от параметров кристалла и часто носит синхронный или квазисинхронный характер. В свою очередь, условия квазисиихронизма в кристалле зависят от его пространственной структуры, и это создаст возможность для управления спектральными характеристиками отклика нелинейно-оптических терагерцовых генераторов и детекторов. Первые пробные тпаги в данном направлении были сделаны в работе [40], хотя авторам не удалось добиться количественного совпадения теоретических и экспериментальных значений спектра генерации. В связи с широкой областью потенциальных приложений, существующей для терагерцовых генераторов и детекторов с заданным спектром отклика, дальнейшие исследования этой темы не теряют своей актуальности.

Существенной проблемой в области детектирования терагерцового излучения па настоящий момент является сложность проведения количе-

ствештых измерений энергетических параметров терагерцовых волн [47]. Наиболее распространены методы терагерцовой фотометрии, основанные на использовании в качестве детекторов сверхпроводящих болометров, ячеек Голся или пироэлектриков, калибровка отклика которых проводится на основе излучения модели черного тела [48; 49]. Однако, болометрические измерения требуют охлаждения детектора до гелиевых температур, а ячейки Голея и пироэлектрические детекторы обладают слабой чувствительностью. В то же время в нелинейно-оптических методах измерения энергетических параметров терагерцового поля затруднены. Это делает невозможным их использование для решения ряда прикладных задач, хотя с технической точки зрения нелинейно-оптическое детектирование более привлекательно для использования в приложениях.

Метод измерения величины спектральной яркости в нелинейно-оптической схеме был предложен в теоретической работе Д.Н. Клышко [50] для оптического диапазона и реализован в работах [51; 52]. Он основан на использовании в качестве опорного сигнала эффекта спонтанного параметрического рассеяния света, что позволяло получить абсолютное значение спектральной яркости измеряемого поля. Однако существенным отличием терагерцового диапазона от оптического при нормальных условиях является высокая яркость тепловых флуктуациоииых полей, и в оригинальном виде, предложенном в [50], в терагерцовом диапазоне метод Клышко применяться не может.

Данная диссертационная работа посвящена анализу флуктуацион-ных полей, создающих фоновые сигналы в нелинейно-оптических детекто-

pax терагсрцового излучения квазинепрерывного действия, которые могут быть использованы для измерения спектральных характеристик терагер-цовых полей и адаптации метода Клышко для терагсрцового диапазона, а также возможности создания реализующих подобные измерения установок. Актуальность этой задаче придает отсутствие на настоящий момент простых методов измерения параметров яркости слабых терагерцовых полей при комнатной температуре.

Целью диссертационной работы являлось исследование тепловых и квантовых флуктуационных полей, участвующих в процессах параметрического преобразования частоты, для разработки методов измерения спектральных и энергетических параметров нелинейно-оптических детекторов терагерцового излучения:

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:

1. Исследовать спектры параметрического рассеяния (ПР) в терагер-цовом диапазоне холостых частот: проверить корректность модели фоновых шумов в детекторе квазинепрерывного терагерцового излучения и установить возможность измерения спектральной яркости некогерентного терагерцового излучения в нелинейно-оптической детектирующей схеме.

2. Экспериментально исследовать метод измерения спектрального распределения чувствительности нелинейно-оптических терагерцовых детекторов на основе спектроскопии ПР.

3. Разработать метод управления спектральным распределением чувствительности но основе проектирования пространственного распределения нелинейно-оптической восприимчивости кристалла-детектора.

Новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях:

1. Установлена природа и характер проявления шумовых полей в нелинейно-оптических детекторах терагерцового излучения.

2. Разработана и экспериментально проверена модель параметрического рассеяния света при высокой яркости равновесного теплового поля на частоте холостой волны и сильном поглощении в диапазоне холостых волн.

3. На основе метода Д.Н. Клышко измерения спектральной яркости оптического излучения предложен метод измерения спектральной яркости терагерцового излучеиия с использованием эффективной величины яркости нулевых флуктуаций вакуума в качестве эталона.

4. Установлена возможность измерения спектрального распределения чувствительности квазиненрерывных нелинейно-оптических тсрагер-цовых детекторов с помощью спектроскопии параметрического рассеяния света.

5. Разработай метод управления спектром генерации и детектирования терагерцового излучения в нелинейно-оптических схемах па осно-

вс моделирования пространственной неоднородности величины нелинейной восприимчивости кристалла.

Научная и практическая значимость диссертационной работы:

1. Исследован новый метод измерения спектральной яркости торагерцо-вого поля, доступный ири комнатных температурах. Данный метод может существенно упростить и повысить точность измерения энергетических параметров по отношению к используемым в настоящее время методам фотометрии терагерцового излучения.

2. Разработанная методика создания мультичастотных терагерцовых генераторов и детекторов имеет широкую область потенциальных применений в терагерцовой спектроскопии сложных химических веществ, связанных с управляемым возбуждением колебательных и вращательных состояний комплексных молекул.

Результаты работы прошли апробацию на следующих российских и международных конференциях

1. The International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Mainz, Germany, 2Ü13

2. Advanced Laser Technologies (ALT-12), Thun, Switzerland, 2012

3. 5-th Workshop ad mcmoriam of Carlo Novero "Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with atoms and photons" (IQIS), Turin, Italy, 2010.

4. International conference on coherent and non-linear optics ICONO/LAT, Kazan, Russia, 2010

5. German-French-Russian Laser Symposium (GFRLS), Goessweinstein, Germany. 2011.

6. 2nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications" (TERA), Moscow, Russia 2012

7. Third Russian-Taiwan School-Seminal "Nonlinear Optics and Photonics", Vladimir, Russia, 2013

8. Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Н.Новгород, 2009.

9. XIV Национальная конференция по росту кристаллов и IV Международная конференция "Кристаллофизика 21 века", Москва, 2010.

10. Шестая международная конференция молодых ученых и специалистов "ОПТИКА", С. Петербург, 2009

Основные результаты содержатся в печатных публикациях. По материалам диссертации опубликованы 13 работ, 3 из которых - статьи в реферируемых научных журналах, 1 патент на изобретение, 9 - тезисы научных конференций.

Структура диссертационной работы состоит из введения, четырех глав и заключения.

Первая глава посвящена обзору существующих методов детектирования терагерцового излучения и анализу процесса преобразова-

иия излучения терагерцовой частоты в пространственно-неоднородном нелинейно-оптическом кристалле

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному анализу поведения тепловых и квантовых флуктуационных полей в нелинейно-оптическом детекторе терагерцового излучения, также во второй главе описана процедура измереиия спектральной яркости терагерцового излучения на основе учета этих фоновых сигналов и приведена схема установки для реализации метода.

Третья глава посвящена исследованию свойств периодически поляризованных кристаллов ииобата лития в контексте их использования в установке для измерения спектральной яркости терагерцового излучения и возможности их характеризации на основе измерений параметров флуктуационных полей в установке-детекторе квазинепрерывного терагерцового излучения

Четвертая глава носвящеиа способу управления спектральными характеристиками терагерцового отклика нелинейно-оптических кристаллов с неоднородным распределением нелинейной восприимчивости; описана процедура расчета и изготовления доменной структуры кристалла с мультичастотным терагерцовым откликом и приведены экспериментальные результаты.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы, представляющие собой суть выносимых на защиту положений:

1. Присутствие тепловых флуктуационных полей приводит к завис и-

мости соотношения между плотностями мощности стоксовой и антистоксовой компонент сигнального излучения параметрического рассеяния света в области терагерцовых холостых частот от темпер